Effective optical properties of polymer - gold nanoparticle composite films
Propriétés optiques effectives de films composites de polymère et de nanoparticules d'or
Résumé
Chemical and self-assembly approaches are increasingly used for the fabrication of nanostructured materials with controlled optical properties.We have considered the simplest case of composite films comprised of a non-structured polymer with spherical gold nanoparticle inclusions, with varied thickness and filling fractions. Optical properties have been studied by means of spectroscopic ellipsometry in the ultraviolet-visible-near infrared range. For thick, three-dimensional films (30-200 nm) with filling fractions below 6%, the behavior of the optical index as a function of the wavelength is well described using a modified Maxwell-Garnett mixing law modified with anisotropic polarisabilities, which accounts for electromagnetic couplings between neighboring particles. Very dense samples with filling fractions up to 30% have also been fabricated, and exhibit near-zero or negative electric permittivities in a finite frequency range. For very thin films (of thickness close to the nanoparticle size), we have shown that the complex optical index is not an intrinsic descriptor of the system and that ellipsometric analysis cannot determine a sample thickness unambiguously. However, the analysis gives access to the particles extinction cross-section : we find that when the particles lie very close to the silicon substrate, experimental values are enhanced compared to theoretical predictions, even taking into account image dipole effects within the substrate. This work has shed light on the relation between the optical properties and the nanostructure of composite films, and opens the way for the fabrication of nanocomposite materials with novel optical properties via chemical routes.
Les méthodes de synthèses chimiques et d'auto-assemblage sont aujourd'hui envisagées pour fabriquer des matériaux nanostructurés aux propriétés optiques contrôlées. Nous avons considéré le cas le plus simple de composites combinant un polymère non-structuré et des nanoparticules d'or sphériques, dont nous fabriquons des films d'épaisseur et de fraction volumique en or variables et étudions les propriétés optiques, par ellipsométrie spectroscopique, dans les domaines ultraviolet-visible-proche infrarouge. Pour des films tridimensionnels épais (30-200 nm) de fraction volumique en nanoparticules inférieure à 6%, les variations de l'indice optique avec la longueur d'onde sont bien décrites par une loi de mélange de Maxwell-Garnett modifiée par l'introduction de polarisabilités anisotropes rendant compte du couplage électromagnétique entre particules proches. Des d'échantillons très denses en nanoparticules ont été fabriqués (jusqu'à des fractions volumiques de 30%), et montrent, dans une bande spectrale finie, des permittivités électriques proches de zéro ou négatives. Pour des échantillons très minces (épaisseur de l'ordre de la taille des nanoparticules), nous montrons que l'indice optique complexe n'est plus un descripteur intrinsèque du système et que l'analyse ellipsométrique ne permet pas de déterminer l'épaisseur de manière non-ambigüe. On a accès en revanche à la section efficace d'extinction des particules : lorsque les particules sont déposées très près du substrat de silicium, les valeurs expérimentales sont exaltées par rapport aux valeurs théoriques, même en tenant compte d'effets de dipôles image dans le substrat. Les conclusions de ce travail ont permis d'éclaircir le lien entre les propriétés optiques mesurées et la nanostructure de films composites, et laissent entrevoir la possibilité d'élaborer par voie chimique des matériaux nanocomposites aux propriétés optiques inédites.
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